›
›

Bài giảng Cơ sở kỹ thuật viễn thông: Điều chế biên độ

ppt 56 trang phuongnguyen 4270
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở kỹ thuật viễn thông: Điều chế biên độ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_co_so_ky_thuat_vien_thong_dieu_che_bien_do.ppt

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở kỹ thuật viễn thông: Điều chế biên độ

  1. Cơ sở kỹ thuật viễn thông Điều chế biên độ 1 7/2/2021
  2. Truyền thông băng cơ sở và truyền thông sóng mang • Truyền thông băng cơ sở: Truyền thông không sử dụng điều chế (thông tin được truyền ở dạng gốc) - Không dịch tần số của tín hiệu. • Truyền thông sóng mang: Truyền thông sử dụng các kỹ thuật điều chế nhằm chuyển đổi dải tần số của tín hiệu tin. • (AM, FM, PM, FSK, PSK, QAM, ) 2 7/2/2021
  3. Truyền thông băng cơ sở • Khái niệm băng cơ sở được gán cho một dải tần số của tín hiệu phát ra từ nguồn, trong đó dải tần số của tín hiệu nằm xung quanh tần số 0. • Đối với điện thoại: băng cơ sở là dải âm tần (tần số của tín hiệu âm thanh) chiếm từ 0 - 4000 Hz • Tivi : băng cơ sở là dải tần của tín hiệu video chiếm từ 0 - 6 MHz • Dữ liệu số PCM (A/D): sử dụng mã đường là lưỡng cực với tốc độ f0 bps, băng cơ sở của nó chiếm từ 0 – f0 Hz. 3 7/2/2021
  4. Truyền thông băng cơ sở • Các tín hiệu điều chế xung: • PAM (Pulse Amplitude Modulation:điều chế biên độ xung ) • PWM (PULSE WIDTH MODULATION: điều chế độ rộng xung) • PPM (PULSE POSITION MODULATION: điều chế vị trí xung) • PCM (PULSE CODE MODULATION: Điều chế xung mã) • Mặc dù sử dụng thuật ngữ điều chế nhưng các tín hiệu trên vẫn là tín hiệu băng cơ sở. 4 7/2/2021
  5. Truyền thông băng cơ sở • Tín hiệu băng cơ sở có công suất lớn ở các tần số thấp. • Tín hiệu băng cơ sở không thể truyền qua đường vô tuyến (ngoài không gian tự do.) • Tín hiệu băng cơ sở phù hợp cho việc truyền dẫn trên dây đồng hay trên sợi quang. Ví dụ: • Truyền dẫn tín hiệu thoại trong tổng đài nội vùng. • Truyền dẫn giữa các tổng đài nội vùng (sử dụng PCM) 5 7/2/2021
  6. Truyền thông sóng mang • Được sử dụng khi không thể truyền băng cơ sở thông qua không gian tự do. • Sử dụng các phương pháp điều chế để chuyển đổi băng tần tín hiệu. • Cho phép ghép nhiều tín hiệu, truyền đồng thời mà không bị giao thoa. • Cho phép chế tạo được các anten với kích cỡ nhỏ. 6 7/2/2021
  7. Điều chế biên độ • Trong điều chế biên độ, biên độ của sóng mang tần số cao được điều chế (biến đổi ) tỷ lệ với biên độ tức thời của tín hiệu tin để tạo ra tín hiệu điều chế có đường bao mang thông tin. • Hay, biên độ của sóng mang tỷ lệ với tín hiệu tin. •Tốc độ lặp lại hình bao của tín hiệu điều chế chính là tần số của tín hiệu tin. 7 7/2/2021
  8. Điều chế biên độ Bộ điều chế AM: có hai đầu vào , một đầu ra Tín hiệu sóng mang tần số cao Phát thanh quảng bá AM (550 kHz - 1600 kHz) AM MODULATOR Tín hiệu điều chế AM Tín hiệu tin tần số thấp (MODULATING WAVE) • Có thể là tín hiệu đơn tần (TONE) hay • Tín hiệu phức tạp (Đa tần) - tiếng nói: 300 Hz - 4000 Hz 8 7/2/2021
  9. Điều chế biên độ •Một số tính chất: • Tương đối rẻ • Chất lượng thấp, hoạt động kém trong môi trường nhiễu • Được sử dụng phổ biến cho hệ thống phát thanh quảng bá • Sử dụng cho hệ thống điện đàm (CB radio) 9 7/2/2021
  10. Các kiểu điều chế biên độ • Có một số kiểu điều chế biên độ: • DSB-SC (Double SideBand Suppress Carrier : Điều chế biên độ triệt tiêu sóng mang) • DSB-FC (Double SideBand Full Carrier: Điều chế biên độ AM) • SSB-SC (Single SideBand Suppress Carrier: Điều chế đơn biên triệt tiêu sóng mang) • SSB-FC (Single SideBand Full Carrier : điều chế đơn biên ) • VSB (Vestigal SideBand) DSB-FC được sử dụng phổ biến hay còn được gọi là AM. 10 7/2/2021
  11. Điều chế biên độ DSB-FC AM (AM) 11 7/2/2021
  12. AMPLITUDE MODULATION (DSB-FC) AM Vam(t) = Ec + m(t)cosct Biên độ sóng mang tỷ lệ với tín hiệu tin 12 7/2/2021
  13. Điều chế biên độ (DSB-FC) For Ec(t) = Ec cos 2 fct VÀ Em(t) = Em cos 2 fmt Modulated Signal : Vam(t) = (Ec + Em cos 2 fmt) (cos 2 fct) Em  = Vam(t) = Ec(1+  cos 2 fmt) (cos 2 fct) Ec 1 1 Given: (cos X )(cosY ) = cos(X −Y ) + cos(X +Y ) 2 2 We get : Vam(t) = Ec cos 2 fct + Ec cos 2 fct cos 2 fmt Which gives : Ec Vam(t) = Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm)t + cos 2 ( fc + fm)t 2 13 7/2/2021
  14. Sơ đồ điều chế DSB-FC Bộ cộng Bộ nhân  • Biên độ của sóng mang không bị ảnh Ec hưởng bởi quá trình điều chế AM. Em(t) = Em cosmt cosct Ec Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm)t + cos 2 ( fc + fm)t 2 14 7/2/2021
  15. Phổ tín hiệu DSB-FC M () Bản tin BANDWITH: Bm = fm Bm 0 2 fm = m Sóng mang Tín hiệu DSB-FC LSB USB 1 DSB() = E   ( − )+ ( + )+ [M ( − ) + M ( + )] c c c 2 c c 0 c −m c c +m Độ rộng băng của tín hiệu DSB-FC : B = 2Bm 15 7/2/2021
  16. Phổ tín hiệu DSB-FC Tín hiệu điều chế AM có phổ tập trung xung quanh tần số fc, bao gồm hai dải biên tần: USB (dải tần trên) là những tần số lớn hơn fc, LSB (dải tần dưới) là những tần số nhỏ hơn fc. Ec Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm)t + cos 2 ( fc + fm)t 2 LSB USB 2 fm Phổ AM có một tần số tại fc. Tức là tần số của sóng mang vẫn tồn tại trong tín hiệu điều chế. Điều này sẽ làm đơn giản việc thiết kế các thiết bị thu AM. 16 7/2/2021
  17. Phổ tín hiệu DSB-FC Trường hợp tín hiệu tin là đơn tần. Ec Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm)t + cos 2 ( fc + fm)t 2 let m =  17 7/2/2021
  18. Tín hiệu DSB-FC 18 7/2/2021
  19. DSB-FC: Hệ số điều chế Sóng mang: Vc(t) = Ec sin 2 fct OR Ec cos 2 fct Tín hiệu tin: Vm(t) = Em sin 2 fmt OR Em cos 2 fmt Em • Thừa số điều chế Hệ số điều chế:  = • Hệ số điều chế Ec Phần trăm điều chế Em M = x 100% Ec Dải của M: 0% 100% trong đó: M 100%, điều chế quá mức (i.e. méo) 19 7/2/2021
  20. Phần trăm điều chế (M) Em M = x 100% Ec Phần trăm điều chế chỉ ra phần trăm biên độ tín hiệu ra bị thay đổi khi tín hiệu sóng mang bị điều chế bởi tín hiệu tin. 20 7/2/2021
  21. Tín hiệu DSB-FC Biên độ của tín hiệu điều chế: V = Ec + Em Em V max = Ec + Em ; V min = Ec − Em Em Ta có:  =  Em =  Ec Ec Do đó: V max = Ec + Ec = (1+  )Ec V min = Ec − Ec = (1−  )Ec Với 100% MODULATION:  =1;V max = 2Ec;V min = 0 50% MODULATION:  = 0.5;V max =1.5Ec;V min = .5Ec 0% MODULATION  = 0;V max = Ec;V min = Ec 21 7/2/2021
  22. Tín hiệu DSB-FC 22 7/2/2021
  23. Tín hiệu DSB-FC V max = Ec + Em ; V min = Ec − Em 1 Giả sử: Em = (V max −V min) 2 • Tín hiệu tin chỉ có một tần số 1 • Quá trình điều chế là đối xứng Ec = (V max +V min) 2 Em V max −V min  = = Ec V max +V min Em 1 Eusf = Elsf = = (V max −V min) 2 4 EUSF = Biên độ tần số dải tần trên ELSF = Biên độ tần số dải tần dưới 23 7/2/2021
  24. Tín hiệu DSB-FC Tín hiệu tin Sóng mang 50% điều chế 100% điều chế 24 7/2/2021
  25. DSB-FC ví dụ 1 Cho bộ điều chế AM, tần số sóng mang 100Khz, tần số cao nhất của tín hiệu tin là 5 khz. Tính: Khoảng tần số hai dải biên: (100 - 5) kHz TO 100 kHz = 95 kHz TO 100 kHz = LSB 100 kHz TO (100 + 5) kHz = 100 kHz TO 105 kHz = USB Độ rộng băng của tín hiệu điều chế B = 2 fm = 2 x 5 kHz = 10 kHz Tần số dải tần trên và dưới khi tín hiệu tin có một tần số là 3 Khz. (100 - 3) kHz = 97 kHz = LSF (100 + 3) kHz = 103 kHz = USF 25 7/2/2021
  26. DSB-FC ví dụ 2 Cho tín hiệu AM có dạng sóng dưới đây: Xác định: 26 7/2/2021
  27. DSB-FC ví dụ 2 Biên độ tần số dải tần trên và dưới: Em 1 Eusf = Elsf = = (V max −V min) 2 4 1 Eusf = Elsf = (18 − 2) = 4V 4 Biên độ của sóng mang: 1 1 Ec = (V max +V min) = (18 + 2) =10V 2 2 Biên độ của tín hiệu tin: 1 1 Em = (V max −V min) = (18 − 2) = 8V 2 2 27 7/2/2021
  28. DSB-FC ví dụ 2 Hệ số điều chế Em V max −V min 8  = = = = 0.8 Ec V max +V min 10 Phần trăm điều chế Em M = x 100% = 0.8x100% = 80% Ec V max −V min 18 − 2 M = x100% = x100% = 80% V max +V min 18 + 2 28 7/2/2021
  29. DSB-FC ví dụ 3 ONE INPUT TO A CONVENTIONAL MODULATOR IS A 500 kHz CARRIER WITH AN AMPLITUDE OF 20 Vp. THE SECOND INPUT IS A 10 kHz MODULATING SIGNAL THAT IS OF SUFFICIENT AMPLITUDE TO CAUSE A CHANGE IN THE OUTPUT WAVE OF 7 . 5 Vp . DETERMINE: UPPER AND LOWER SIDE FREQUENCIES (500 + 10) kHz = 510 kHz = USF (500 - 10) kHz = 490 kHz = LSF MODULATION COEFFICIENT AND PERCENT MODULATION 7.5  = = 0.375 20 7.5 M = x100% = 37.5% 20 29 7/2/2021
  30. DSB-FC ví dụ 3 PEAK AMPLITUDE OF THE MODULATED CARRIER Ec (MODULATED) = Ec (UNMODULATED) = 20 Vp UPPER AND LOWER SIDE FREQUENCY VOLTAGES Em Ec 0.375(20) Eusf = Elsf = = = = 3.75Vp 2 2 2 MAXIMUM AND MINIMUM AMPLITUDES OF THE ENVELOPE V max = Ec + Em ; V min = Ec − Em V max = 20 + 7.5 = 27.5Vp V min = 20 − 7.5 =12.5Vp 30 7/2/2021
  31. Công suất DSB-FC Công suất tiêu tán của sóng mang trên điện trở R là: 2 2 (0.707Ec) Ec Pc = = R 2R Em Ec Ta có : Eusf = Elsf = = 2 2 2 2 2  Ec  Pusb = Plsb = = Pc 8R 4 Công suất tổng của tín hiệu AM là: Pt = Pc + Pusb + Plsb 31 7/2/2021
  32. Công suất DSB-FC Pt = Pc + Pusb + Plsb 2 2 2  Pc  Pc  Pc Pt = Pc + + = Pc + 4 4 2  2 Pt = Pc (1+ ) 2 Công suất sóng mang ở trong tín hiệu điều chế = Công suất sóng mang chưa điều chế (Công suất sóng mang không bị ảnh hưởng bởi quá trình điều chế) 32 7/2/2021
  33. Công suất DSB-FC  2 Pt = Pc (1+ ) 2 Công suất tổng cộng tăng khi hệ số điều chế tăng    Pt 2 2 2  Ec  Pusb = Plsb = = Pc 8R 4 33 7/2/2021
  34. Công suất DSB-FC  2  2 Pt = Pc (1+ ) Pusb = Plsb = Pc 2 4 let m =  34 7/2/2021
  35. Công suất DSB-FC  2  2 Pt = Pc (1+ ) Pusb = Plsb = Pc 2 4 Với điều chế 100%, :  =1 1 1 Pusb = Plsb = Pc Pusb + Plsb = Pc 4 2 1 Pt = Pc (1+ ) =1.5Pc 2 Nhược điểm của DSB-FC : Thông tin nằm trong hai dải biên, trong khi công suất chủ yếu lại tập trung tại sóng mang. 35 7/2/2021
  36. Công suất DSB-FC • Ưu điểm của AM là có thể thiết kế các bộ thu với giá thành rất rẻ. • Sóng mang không mang tin tức, công suất trên nó là hao phí. 36 7/2/2021
  37. Ví dụ DSB-FC Vc = 10 Vp, RL = 10 Ohms, hệ số điều chế bằng 1, Xác đinh: Công suất sóng mang 2 2 Ec 10 Pc = = = 5W 2R 2(10) Công suất dải tần trên và dưới:  2 1(5) Pusb = Plsb = Pc = =1.25W 4 4 Công suất cả hai dải tần:  2 1(5) Pusb + Plsb = Pc = = 2.5W 2 2 37 7/2/2021
  38. Ví dụ DSB-FC FOR AN AM DSB-FC WAVE WITH A PEAK UNMODULATED CARRIER VOLTAGE Vc = 10 Vp, A LOAD RESIATANCE OF RL = 10 Ohms, AND A MODULATION INDEX OF 1, DETERMINE: Công suất tổng cộng:  2 12 Pt = Pc (1+ ) = 5(1+ ) = 7.5W 2 2 Phổ công suất 38 7/2/2021
  39. Điều chế AM của tín hiệu tổng hợp Trong tất cả phân tích ở trên ta đều giả sử rằng tín hiệu tin là đơn tần (TONE). Trong thực tế, tín hiệu tin thường là tín hiệu tổng hợp (bao gồm nhiều thành phần tần số) 39 7/2/2021
  40. Điều chế AM của tín hiệu tổng hợp Nếu tín hiệu tin có hai thành phần tần số, thì, tín hiệu điều chế sẽ bao gồm thành phần sóng mang và 2 dải biên, mỗi dải 2 tần số: Ec 1 Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm1)t + cos 2 ( fc + fm1)t 2 + Ec 2 Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm2)t + cos 2 ( fc + fm2)t 2 40 7/2/2021
  41. Điều chế AM của tín hiệu tổng hợp Khi tín hiệu tin có nhiều tần số, hệ số điều chế được tính bởi: 2 2 2 2 t = 1 +  2 + 1 ++ n hệ số điều chế của tần hệ số điều chế của tần số thứ nhất trong tín số thứ hai trong tín hiệu hiệu tin tin 41 7/2/2021
  42. Sự phân bố công suất của AM Công suất của sóng mang, hai dải tần 2 2 (0.707Ec) Ec Nhớ lại: Pc = = R 2R Em Ec Eusf = Elsf = = 2 2 2 2 2 t Ec t Ta có: Pusbt = Plsbt = = Pc 8R 4 Công suất hai dải tần: 2 t Psbt = Pc 2 42 7/2/2021
  43. Sự phân bố công suất của AM Công suất tổng: Pt = Pc + Psbt 2 t Pt = Pc (1+ ) 2 Chú ý: hệ số điều chế phải <=1 (không điều chế quá mức) 43 7/2/2021
  44. Ví dụ DSB-FC Pc = 100 W, được điều chế bởi 3 tín hiệu sin có các hệ số điều chế sau:  1 = 0.2,  2 = 0.4,  3 = 0.5 Tính Hệ số điều chế tổng: 2 2 2 t = 0.2 + 0.4 + 0.5 = 0.67 Công suất hai dải tần 2 t 0.67(100) Psbt = Pc = = 22.445W 2 2 Tổng công suất phát: 0.672 Pt =100(1+ ) =122.445W 2 44 7/2/2021
  45. Phát tín hiệu AM Sử dụng sơ đồ điều chế của DSB-SC chỉ có điều thay tín hiệu lối vào bởi Ec + m(t): Ec + m(t)instead of m(t) m(t)C(t) MULTIPLIER MODULATOR Ec + m(t) C(t) = cosct 45 7/2/2021
  46. Giải điều chế AM Giải điều chế bằng phương pháp kết hợp: tín hiệu sóng mang được khôi phục lại phía máy thu. Giải điều chế không kết hợp: không cần tách sóng mang tại máy thu. Áp dụng đối với trường hợp hệ số điều chế nhỏ hơn 1. (tách sóng đường bao) 46 7/2/2021
  47. Giải điều chế bằng phương pháp kết hợp. MULTIPLIER MODULATOR [Ec + m(t)]coswct C(t) = cosct 47 7/2/2021
  48. Tách sóng đường bao (Envelop Detector) 48 7/2/2021
  49. AMPLITUDE MODULATION DSB-SC AM (Điều chế biên độ triệt sóng mang) 49 7/2/2021
  50. DSB-SC • MESSAGE SIGNAL = m(t) = Em cosmt  M () • CARRIER SIGNAL = C(t) = Ec cosct  C() • MODULATED SIGNAL = m(t)C(t) = EmEc cosmt cosct 1 1  = 2 f (cos X )(cosY) = cos(X +Y) + cos(X −Y) 2 2 EmEc cos(c +m)t + cos(c −m)t 2 EmEc m(t)cosct  (c +m) +(c −m) 2 50 7/2/2021
  51. DSB-SC m(t)C(t) MULTIPLIER MODULATOR m(t) = cosmt C(t) = cosct EmEc cos(c +m)t + cos(c −m)t 2 51 7/2/2021
  52. Phổ DSB-SC M () Tín hiệu tin BANDWITH: Bm = fm Bm −m 0 2 fm = m Tín hiệu điều chế (DSB-SC AM) LSB USB DSB() 0 c −m c c +m BW OF THE MODULATED SIGNAL IS: B = 2Bm 52 7/2/2021
  53. Phổ DSB-SC Gồm hai dải tần: USB, LSB EmEc cos(c +m)t + cos(c −m)t 2 LSB USB 2 fm Phổ DSB-SC không có thành phần tần số sóng mang fc 53 7/2/2021
  54. Sơ đồ điều chế DSB-SC m(t)C(t) MULTIPLIER MODULATOR m(t) C(t) = cosct 54 7/2/2021
  55. Sơ đồ giải điều chế DSB-SC Giải điều chế bằng phương pháp kết hợp: tín hiệu sóng mang được khôi phục lại phía máy thu. MULTIPLIER MODULATOR [Ec + m(t)]coswct C(t) = cosct 55 7/2/2021
  56. Đặc điểm của hệ thống triệt tiêu sóng mang (SC) • Hệ thống SC cần các bộ thu phức tạp để phát sóng mang với tần số và pha đồng bộ với bên phát để giải điều chế • Hệ thống SC sử dụng công suất hiệu quả hơn (so với DSB-FC/SSB-FC) • Hệ thống SC được sử dụng trong truyền thông điểm - điểm (1 thu và 1 phát) • Hệ thống FC được sử dụng trong hệ phát thanh quảng bá do nó đơn giản được thiết bị thu. 56 7/2/2021